智能變電站過程層組網(wǎng)方案研究

1、    智能變電站過程層組網(wǎng)方案研究    張曉偉+陳玉濤+楊輝+萬首豐+張靜怡摘要：對智能變電站過程層網(wǎng)絡業(yè)務及數(shù)據(jù)流量分析，特別對智能變電站采樣數(shù)據(jù)smv數(shù)據(jù)流量進行了分析統(tǒng)計，分析了過程層組網(wǎng)結構環(huán)形網(wǎng)絡和星型網(wǎng)絡結構的優(yōu)缺點。提出了采用雙星形網(wǎng)絡冗余結構，在保證網(wǎng)絡實時性的同時提高網(wǎng)絡冗余性。關鍵詞：過程層網(wǎng)絡；smv；雙星型網(wǎng)絡：tm63 ：a ：1007-9416（2017）02-0081-021 概述隨著智能變電站網(wǎng)絡通信技術的發(fā)展， 智能變電站中數(shù)據(jù)傳輸在容量及實時性方面都有更高的需求，為了提高設備集成度、簡化網(wǎng)絡和節(jié)約建設成本goose

2、、采樣值、對時信號共網(wǎng)傳輸方案是可行且必須的。通過分析智能變電站過程層網(wǎng)絡業(yè)務流量及業(yè)務數(shù)據(jù)實時性需求，針對其大數(shù)據(jù)量、高實時性要求，提出適合于智能變電站網(wǎng)絡組網(wǎng)方案。2 智能變電站過程層網(wǎng)絡業(yè)務流量分析流入交換機的數(shù)據(jù)決定了智能變電站過程層交換機數(shù)據(jù)吞吐總量，數(shù)據(jù)流量的大小決定了網(wǎng)絡（延時）性能，理論上流入數(shù)據(jù)都可以正確流出。網(wǎng)交換機上流入的數(shù)據(jù)主要包括單間隔或跨間隔保護需要的數(shù)據(jù)，如失靈保護、母線保護等需要的數(shù)據(jù)和電能質(zhì)量終端及計量終端需要的計量數(shù)據(jù)，另外根據(jù)新一代智能變電站關鍵技術及設備技術方案，還有一些設備狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)。根據(jù)iec61850業(yè)務數(shù)據(jù)分類，過程層網(wǎng)絡傳輸?shù)臉I(yè)務數(shù)據(jù)主要有3

3、類，ptp1588/sntp/ntp 對時報文、面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录笪模╣oose）、采樣值報文（smv）。（1）依據(jù)iec61850-9-2 標準，智能變電站過程層網(wǎng)絡進行采樣報文smv 傳輸。該標準是采樣數(shù)據(jù)組網(wǎng)的唯一報文格式。采樣值報文通過網(wǎng)絡傳輸實現(xiàn)了智能變電站采樣數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)共享。利用過程層網(wǎng)絡獲得采樣值，通常再通過組播、vlan 等技術手段減少采樣值傳輸流量對過程層網(wǎng)絡通信性能的影響。（2）面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录笪模╣oose）以發(fā)布者/訂閱者的模式在通信協(xié)議棧的數(shù)據(jù)鏈路層通信， 依據(jù)iec61850-8-1 標準，goose報文傳輸采用超時重傳機制， 突發(fā)goose變位時產(chǎn)生瞬時

4、goose傳輸報文，平時無故障時數(shù)據(jù)流量較小，對采樣值smv 的傳輸效率影響不大。（3）ptp1588/sntp/ntp 對時報文、狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡設備管理等信息流量很小，所以無需獨自物理組網(wǎng)，網(wǎng)絡簡單且便于運行維護。3 采樣值業(yè)務數(shù)據(jù)分析智能變電站采樣值報文大部分在間隔內(nèi)傳輸，不同間隔間需要傳輸少量goose報文，如果將全站過程層交換機經(jīng)過主干交換機進行星型模式級聯(lián)。如果不對間隔層交換機流出數(shù)據(jù)進行流量控制，主干網(wǎng)交換機很容易流入流量超負荷的情況。下文分別對單個間隔的交換機和多個間隔的級聯(lián)主干交換機的 smv 數(shù)據(jù)流量進行理論計算和實際測試。3.1 單間隔采樣值業(yè)務流量分析基于iec618

5、50-9-2 工程中實際報文長度（svld為變長量），依據(jù)采樣值報文格式如下圖1所示及變電站實際業(yè)務需求單間隔 smv最大計算流量為：變電站內(nèi)一個間隔考慮3級母線級聯(lián)電壓3相電壓，總共9個電壓通道，另3相保護電流，總共12個通道，為保證保護數(shù)據(jù)的可靠性，一般都采用ad采樣。即12 * 2 = 24個通道，另外有三相測量電流及零序電流和間歇零序電流?？偣?9個通道。而電能質(zhì)量等計量類裝置只需要電壓和電流，不可能超過29個通道，按照最大29個通道計算。如果每幀采樣值報文傳輸一組采樣值計算，那么采樣值報文的長度為302個字節(jié)。一個合并器每秒種的數(shù)據(jù)流量：采樣頻率為每周波80個點：q=302字節(jié)

6、15;8bit/字節(jié)×50周波/s×80點/周波= 12.08mbit/s；采樣頻率為每周波256個點：q=302字節(jié)×8bit/字節(jié)×50周波/s×256點/周波= 30.9mbit/s；單個間隔smv報文典型數(shù)據(jù)流量為：按照每幀1組采樣值12個模擬量通道計算，一個合并器每秒種的數(shù)據(jù)流量：采樣頻率為每周波80個點：q=159字節(jié)×8bit/字節(jié)×50周波/s×80點/周波= 5.088mbit/s；采樣頻率為每周波256個點：s=159字節(jié)×8bit/字節(jié)×50周波/s×256點/周

7、波= 16.2816mbit/s。3.2 跨間隔采樣值業(yè)務流量分析根據(jù)保護業(yè)務需求，一些保護功能的實現(xiàn)只需要單個間隔的采樣值數(shù)據(jù)，而有些保護功能的實現(xiàn)則需要跨間隔的采樣值數(shù)據(jù)，就必須統(tǒng)計過程層主干網(wǎng)交換機流量，目前保護功能需要的多間隔采樣數(shù)據(jù)的最大個數(shù)為24個，例如母線差動保護。國家電網(wǎng)2011年發(fā)布的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)技術規(guī)范中規(guī)定，電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)宜進行主干電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測、 配電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測和特殊需求電能質(zhì)量監(jiān)測。根據(jù)不同監(jiān)測要求，監(jiān)測點的位置宜選擇在： 重要的供電母線及線路；向敏感和污染源用戶供電母線及線路；電源接入點，如發(fā)電廠（場、站）高壓母線及送出線路；其他特需監(jiān)測點，如裝設 fa

8、cts 設備的母線及線路、 直流輸電換流站等。根據(jù)電能質(zhì)量規(guī)范及現(xiàn)場工程的實施方案，過程層網(wǎng)絡中電能質(zhì)量設備對跨間隔數(shù)據(jù)接入不可能超過24個，這里按照保護業(yè)務的最大需求24個間隔計算。如果按照極限情況考慮，每個單間隔都按照最大流量計算：采樣頻率為每周波80個點：q=12.08mbit/s×24=289.92mbit/s。采樣頻率為每周波256個點：q=30.09mbit/s×24=722.16mbit/s。 從統(tǒng)計結果我們可以看出，如果采樣值頻率達到256點每周波，間隔內(nèi)交換機采樣值流量達到容量的30%?？玳g隔的采樣值如果按每個間隔都按照都達到最大30.09 mbit/s流

9、量，過程層交換機的最大數(shù)據(jù)流量達到了722.16 mbit/s，而實際工程中，不存在每個間隔的數(shù)據(jù)都為最大數(shù)據(jù)流量的情況。4 過程層網(wǎng)絡結構過程層網(wǎng)絡結構主要有裝置交換機環(huán)形網(wǎng)和星形網(wǎng)，各有其優(yōu)缺點：（1）交換機環(huán)形網(wǎng)。智能變電站交換機之間采用實時環(huán)網(wǎng)進行組網(wǎng)的通信方式。環(huán)形網(wǎng)絡缺點是：網(wǎng)絡實時性差，環(huán)網(wǎng)中節(jié)點間的網(wǎng)絡通信延時比星型網(wǎng)絡要高；并且網(wǎng)絡可靠性比較差，環(huán)網(wǎng)通信的快速生成樹協(xié)議，通信故障時可能會引起網(wǎng)絡風暴問題；此外，環(huán)型網(wǎng)絡的投資成本明顯高于星形網(wǎng)，因為交換機需要的網(wǎng)口數(shù)要比星型網(wǎng)絡多。 環(huán)形網(wǎng)絡優(yōu)點是：網(wǎng)絡冗余性最好，當交換機之間網(wǎng)絡發(fā)生故障的時候，可以通過環(huán)網(wǎng)自愈依然以保證網(wǎng)絡

10、通信。（2）交換機星形網(wǎng)。星形網(wǎng)是智能變電站交換機采用星型級聯(lián)方式組網(wǎng)。星型網(wǎng)絡的缺點是：網(wǎng)絡冗余性較差，星形網(wǎng)交換機之間網(wǎng)絡發(fā)生單點故障時，網(wǎng)絡通信將受到較大影響。但其優(yōu)點在于：網(wǎng)絡實時性好，網(wǎng)絡延時最少，并且不會產(chǎn)生網(wǎng)絡風暴，符合智能變電站過程層網(wǎng)絡的需求。為了保證網(wǎng)絡實時性的同時提高網(wǎng)絡冗余性，當前智能變電站過程層的網(wǎng)絡結構可以采用雙星形冗余結構。5 結語對智能變電站過程層網(wǎng)絡業(yè)務及數(shù)據(jù)流量分析，特別對智能變電站采樣數(shù)據(jù)smv數(shù)據(jù)流量進行了分析統(tǒng)計，分析了過程層組網(wǎng)結構環(huán)形網(wǎng)絡和星型網(wǎng)絡結構的優(yōu)缺點。提出了采用雙星形冗余結構，在保證網(wǎng)絡實時性的同時提高網(wǎng)絡冗余性。參考文獻1丁騰波，林亞男

11、，趙萌.智能變電站虛擬局域網(wǎng)邏輯結構劃分方案的研究j.電力系統(tǒng)保護與控制，2012，（1）：115-119.2蘇麟，孫純軍，褚農(nóng).智能變電站過程層網(wǎng)絡構建方案研究j.電力系統(tǒng)通信，2010， 31（7）.doi：10.3969/j.issn.1005-7641.2010.07.003.3陳德輝，袁京.iec61850在智能變電站應用時采用網(wǎng)絡結構分析j.電力系統(tǒng)通信， 2010，（7）：14-16.4歐陽帆，劉海峰，趙永生，等.智能變電站通信網(wǎng)絡阻塞故障及其防范措施分析j.電網(wǎng)技術，2011，35（11）.5盧巖，宋瑋，于同偉.智能變電站過程層網(wǎng)絡結構分析j.電力信息與通信技術，2012，10（6）.doi：10.3969/j.issn.1672-4844.2012.06.015.6劉昊昱，左群業(yè)，張保善.智能變電站過程層網(wǎng)絡性能測試與分析j.電力系統(tǒng)保護與控制，2012，（18）：112-116.7王芝茗，葛維春，楊志輝，等.智能變電站過程層網(wǎng)絡技術的研究與應用j.電氣自動化， 2013，（15）.8胡長金.智能變電站通信網(wǎng)絡可靠性研究j.電氣應用，2011，（17）.9樊陳，倪益民，竇仁輝，等.智能變電站過程層組網(wǎng)方案分析j.電力系統(tǒng)自動化，2011， 35（18）.10胡建斌，常曉杰，黃榮輝，等.智能變電站過程層“三網(wǎng)